Electrodeposition Module

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromdichteverteilung

COMSOL Multiphysics^® und das Electrodeposition Module bieten dem Anwender fertige, benutzerfreundliche Interfaces für die Modellierung von galvanischen Prozessen. Die grundlegende Funktionalität wird durch die Interfaces Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution abgedeckt. Diese ermöglichen es, die Stromverteilung sowie die Oberflächenkinetik mit Polarisationskurven zu modellieren und Stofftransporteffekte und Gleichgewichtsreaktionen in die Modelle aufzunehmen.

Durch die Wahl eines dieser Interfaces kann der Benutzer den Grad der Genauigkeit wählen, der für eine hinreichend genaue Beschreibung des betreffenden Systems erforderlich ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Modell nur Ohmsche Effekte enthalten soll oder ob es komplexer ist und zum Beispiel Stofftransport und Gleichgewichtsreaktionen für mehrere Spezies berücksichtigt. Mit COMSOL Multiphysics^® können Sie nahtlos so viele Spezies und Reaktionen hinzufügen, wie sie für ein bestimmtes physikalisches System erforderlich sind.

Stromleitung in Schalenelektroden

Das Electrodeposition Module enthält das Interface Electrode, Shell zur Modellierung der Leitung von elektrischem Strom in tangentialer Richtung an einem Rand. Das Interface eignet sich für die Modellierung dünner Elektroden, bei denen die Potentialschwankung senkrecht zur Elektrodenoberfläche vernachlässigbar ist. In diesem Fall wird das Gebiet der dünnen Elektroden durch eine Formulierung einer partiellen Differentialgleichung am Rand ersetzt. Dadurch können die Größe des Problems reduziert und potentielle Netzanisotropieprobleme in der dünnen Schicht vermieden werden.

Elektrochemische Reaktionskinetik

Das Electrodeposition Module ermöglicht die Modellierung von elektrochemischen Ladungstransferreaktionen, bei denen die Kinetikausdrücke beliebige Funktionen der modellierten Variablen sein können. Dazu gehören beispielsweise die Konzentration der chemischen Spezies, das lokale Elektroden- und Elektrolytpotential an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und die Temperatur.

In den Interfaces Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution können Sie Parameter für die Elektrodenkinetik angeben, wie zum Beispiel die Austauschstromdichte, die anodischen und kathodischen Ladungstransferkoeffizienten, Stöchiometrie und das Gleichgewichtspotential für die Elektrodenreaktionen in Ihrem System. Sie können auch konkurrierende Reaktionen auf einer einzelnen Elektrodenoberfläche hinzufügen, wie die Wasserstoffentwicklung an der Plattierungselektrode. Darüber hinaus steht Ihnen unter dem Zweig Chemical Species Transport das Interface Chemistry zur Verfügung, um verschiedene homogene und heterogene Reaktionen zu definieren.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

Das Electrodeposition Module kann mit anderen Add-On-Produkten aus der COMSOL-Produktpalette kombiniert werden. Dies ermöglicht es dem Anwender, die Physik, die einen galvanischen Abscheidungs- oder Ätzprozess beschreibt, mit anderen Modulen zu koppeln, zum Beispiel mit dem Heat Transfer Module, um thermische Effekte zu untersuchen, oder mit dem CFD Module, um die Auswirkungen von turbulenter, Drall- oder Zweiphasenströmung zu verstehen.

Abgeschiedene Schichten und Zusammensetzung

Wenn die abgeschiedenen Metallschichten oder die Anodendicke nur geringfügig variieren, ist das Modul in der Lage, die Dicke der abgeschiedenen Schicht und deren Einfluss auf die Ohmschen Effekte in der Elektrode zu verfolgen, ohne dabei die Geometrie zu verändern. Dazu wird eine Variable für die Dicke eingeführt, die auch die lokale elektrische Leitfähigkeit der Elektrode beeinflusst. Die Änderungen der Dicke der Elektrode können automatisch aus den kinetischen Ausdrücken der Elektrode berechnet werden, indem die molare Masse, die Stöchiometriekoeffizienten und die Dichte des abgeschiedenen oder verbrauchten Metalls für die Elektrodenreaktionen definiert werden.

Deformierte Geometrie für sich verändernde Elektrodenoberflächen

Das Electrodeposition Module enthält vordefinierte Multiphysik-Interfaces für die zeitabhängige Modellierung von Verformungen, die durch Ablagerungs- oder Auflösungsprozesse in elektrochemischen Zellen entstehen. Eine solche Modellierung beinhaltet die Verwendung einer deformierten Geometrie, bei der die Randgeschwindigkeiten durch die elektrochemischen Reaktionen gegeben sind.

Zusätzlich dazu stehen die Interfaces Level Set und Phase Field für die Modellierung galvanischer Prozesse zur Verfügung, bei denen sich die Topologie der Elektrodenoberfläche infolge der Abscheidung verändert.

Materialtransport

Das Electrodeposition Module kann zur Modellierung des Transports von chemischen Spezies durch Diffusion, Konvektion und Migration in verdünnten Lösungen verwendet werden. Das Interface Transport of Diluted Species in Porous Media dient zur Berechnung der Spezieskonzentration sowie des Transports in freien und porösen Medien. Es kann in Fällen verwendet werden, in denen entweder das Festphasensubstrat ausschließlich unbeweglich ist oder in denen ein gasgefülltes Medium ebenfalls als unbeweglich angenommen wird.

Für die Berechnung von Konzentrationen in Elektrolyten, die elektrischen Feldern ausgesetzt sind, ist das Interface Nernst-Planck Equations verfügbar. Auch allgemeine elektrochemische Zellen mit erheblichen Konzentrationsgradienten der stromführenden Spezies (Ionen) können damit modelliert werden. Darüber hinaus kann das Interface Surface Reactions zur Modellierung des Fickschen Transports von Oberflächenspezies verwendet werden.

Wärmetransport

In elektrochemischen Zellen können irreversible Spannungsverluste aufgrund des Ladungstransports im Elektrolyten oder in den festen Leitermaterialien, Aktivierungsüberspannungen bei den Elektrodenreaktionen und Mischungswärme auftreten. Zudem können aufgrund von Entropieänderungen in den Elektrodenreaktionen reversible Wärmequellen und -senken entstehen.

Die Multiphysik-Kopplung Electrochemical Heating steht Ihnen zur Verfügung, um Wärmequellen zu definieren, die auf der Summe von irreversiblen (Joulesche Ewärmung und Aktivierungsverluste) und reversiblen Wärmeeffekten in einem elektrochemischen Interface basieren. Sie können die von den elektrochemischen Interfaces definierten Wärmequellenvariablen auch verwenden, wenn Sie manuelle Kopplungen zwischen verschiedenen Komponenten in einem Modell einrichten.